Il sensore di composti organici volatili misura la quantità di VOC in uno spazio. È uno strumento importante per il monitoraggio della qualità dell’aria interna (IAQ) perché identifica i contaminanti che rappresentano un rischio per la salute umana. Ad esempio, il sensore VOC ti avvisa quando c’è troppo gas naturale nell’edificio. Perché? Il gas naturale è composto principalmente da metano ed è altamente combustibile. Una concentrazione eccessiva di gas naturale può innescare una scintilla o causare un’esplosione se combinato con altri gas o vapori infiammabili. Il monitor dei composti organici volatili è uno dei sensori più importanti nel tuo arsenale di monitoraggio della IAQ perché molti contaminanti dell’aria interna sono composti organici. Questi includono formaldeide, benzene e tricloroetilene, sostanze chimiche che sono anche dannose per la nostra salute. Un sensore VOC può individuare se c’è una perdita nella tua fornitura di acqua o se qualcuno ha usato diluente per vernici o un altro solvente nella sala relax! Continua a leggere per saperne di più sul perché questo sensore è essenziale per garantire un ambiente interno sano!
Cosa sono i VOC e i sensori VOC?
VOC
I composti organici volatili (VOC) sono sostanze chimiche che hanno un’alta pressione di vapore a temperatura ambiente e vengono rilasciate nell’atmosfera. Questi composti si trovano comunemente in una varietà di prodotti di consumo, combustibili e processi industriali. Esempi di VOC includono benzene, toluene, etilene, formaldeide e xilene. I VOC possono avere una serie di impatti negativi sulla salute umana e sull’ambiente, tra cui irritazione respiratoria, mal di testa e irritazione agli occhi e al naso. Possono anche contribuire alla formazione di ozono a livello del suolo, che è un componente importante dello smog. Inoltre, alcuni VOC possono accumularsi nell’ambiente e avere il potenziale per causare effetti sulla salute a lungo termine.
Sensori VOC
I sensori VOC sono dispositivi utilizzati per rilevare e misurare la concentrazione di VOC nell’aria. Questi sensori funzionano utilizzando un elemento chimico sensibile o componenti elettronici per rilevare la presenza di VOC. Quando i VOC sono presenti nell’aria, reagiscono con le sostanze chimiche presenti nel sensore e generano una carica elettrica. Questa carica viene quindi misurata dal sensore e la concentrazione di VOC può essere determinata.
Applicazioni del sensore VOC
• Monitoraggio delle emissioni automobilistiche: i sensori di COV sono utilizzati nell’industria automobilistica per monitorare e misurare la quantità di sostanze inquinanti pericolose rilasciate nell’atmosfera. Ciò aiuta a garantire che le auto siano conformi alle normative sulle emissioni.
• Monitoraggio della qualità dell’aria interna: i sensori di COV possono essere utilizzati per monitorare la qualità dell’aria interna in ospedali, scuole e altri edifici pubblici. Ciò aiuta a garantire che l’aria all’interno dell’edificio sia sicura e priva di sostanze inquinanti dannose.
• Monitoraggio dei processi industriali: i sensori di COV sono utilizzati per monitorare i processi industriali come la fermentazione e la distillazione. Ciò garantisce che il processo venga eseguito in modo efficiente e sicuro.
• Monitoraggio ambientale: i sensori di COV possono essere utilizzati per monitorare l’ambiente, come in campioni di acqua e suolo, per rilevare la presenza di sostanze inquinanti o altri contaminanti. Ciò aiuta a garantire che l’ambiente sia sicuro e salubre.
Come funzionano i sensori di COV?
I sensori di COV utilizzano in genere uno dei due tipi di tecnologia diversi per misurare la presenza di COV: rivelatori a fotoionizzazione (PID) o sensori a semiconduttore di ossido metallico (MOS).
Rivelatori a fotoionizzazione (PID)
I rivelatori a fotoionizzazione misurano la concentrazione di COV ionizzando le molecole dei COV con una luce UV. Gli ioni creati dalla luce UV passano quindi attraverso una camera dove vengono rilevati e misurati da un campo elettrostatico. Gli ioni misurati vengono convertiti in una corrente elettrica misurabile e quindi inviati a un dispositivo di lettura per un’ulteriore analisi.
Sensori MOS
I sensori a semiconduttore di ossido metallico (MOS) funzionano utilizzando un film di ossido metallico sensibile ai COV. Quando un COV entra in contatto con il film di ossido metallico, provoca una variazione delle proprietà elettriche del film che viene quindi misurata dal sensore. Il segnale elettrico dal sensore viene quindi inviato a un dispositivo di lettura per un’ulteriore analisi.
Sia i PID che i sensori MOS sono utilizzati in una varietà di applicazioni come il monitoraggio della qualità dell’aria interna, il monitoraggio delle emissioni, il controllo dei processi e il monitoraggio ambientale. Possono essere utilizzati per rilevare una varietà di COV come formaldeide, toluene, benzene, xilene e altro.
Tipi di sensori di COV
Esistono tre tipi principali di sensori di gas COV comuni in base ai loro principi di funzionamento:
- Sensori elettrochimici di COV: come quelli basati su resistenza, corrente, impedenza e potenziale.
- Sensori ottici di COV: inclusi assorbimento spettrale, fluorescenza e visualizzazione.
- Sensori di massa di COV: come i microbilanci a cristallo di quarzo e i sensori a onda acustica superficiale.
Sensore elettrochimico di COV
Il principio di rilevamento di un sensore elettrochimico per COV prevede l’adsorbimento o la reazione (fisica o chimica) dei gas COV sulla superficie di un materiale sensibile al gas, il che determina variazioni delle sue proprietà elettriche come resistenza, corrente, impedenza e potenziale.
Tra questi, il tipo di sensore per COV più ampiamente utilizzato basato su ossidi metallici semiconduttori è quello conduttivo, che svolge un ruolo importante nell’attuale campo del rilevamento dei gas. In base ai loro dispositivi di rilevamento elettrico per i gas, possono essere suddivisi in comuni sistemi di rilevamento conduttivo a due elettrodi e sistemi di rilevamento a transistor a effetto di campo a tre elettrodi. In base ai materiali sensibili al gas COV, possono essere classificati come ossidi metallici semiconduttori, polimeri conduttivi, nanomateriali (come cluster di oro a zero dimensioni, nanotubi di carbonio o nanofili di silicio a una dimensione e grafene multidimensionale) e materiali porosi.
Sensore di conduttività a ossido metallico semiconduttore
I sensori di gas a ossido metallico semiconduttore rilevano i gas sfruttando la proprietà che la resistenza o la funzione lavoro di un semiconduttore cambia quando entra in contatto con un gas. I sensori a semiconduttore sono tra i più antichi e maturi sensori di gas.
Già nel 1936, fu scoperto che la conduttività di Cu20 cambia quando assorbe vapore acqueo. Oggi, i sensori di gas a semiconduttore si sono sviluppati in un ampio sistema grazie ai loro vantaggi di struttura semplice, risposta rapida, basso costo, stabilità e circuiti semplici, tra cui la ricerca su ZnO e SnO2 è la più matura.
Tuttavia, i punti deboli dei sensori di gas a ossido metallico semiconduttore sono che funzionano a temperature relativamente elevate, hanno una scarsa selettività dei gas e sono soggetti a avvelenamento. Pertanto, sono stati sviluppati e applicati alcuni nuovi tipi di sensori, come compositi metallo-organici e sensori di gas a semiconduttore drogati con metalli pesanti.
Sensore di conduttività di nanomateriali a zero dimensioni
Come è noto, le nanostrutture sono molto sensibili agli ambienti chimici e possono essere utilizzate come materiali di rilevamento dei gas con sensibilità ultraelevata. I cluster di oro a zero dimensioni hanno attirato una diffusa attenzione nel campo del rilevamento grazie alle loro proprietà fisiche e chimiche uniche.
I cluster di oro non solo presentano un comportamento a punti quantici di nuclei metallici a zero dimensioni, ma presentano anche interazioni superficiali con i ligandi. Il nucleo interno in oro fornisce un canale conduttivo per gli elettroni, mentre il guscio organico esterno funge da strato isolante, fornendo un’interfaccia di adsorbimento selettiva per i composti organici volatili (COV). L’adsorbimento di COV fa espandere i cluster di oro monostrato, aumentando la distanza tra i nuclei in oro, determinando così una diminuzione della conduttività e un aumento della resistenza. I cluster di oro monostrato vengono tipicamente depositati su elettrodi integrati mediante rivestimento a spruzzo.
Le caratteristiche di risposta elettrica dei cluster di oro monostrato ai COV non sono correlate solo alle variazioni della conduttività elettronica tra i nuclei in oro causate dall’adsorbimento di COV, ma anche all’energia di attivazione. L’energia di attivazione è correlata al processo di carica tra i cluster di oro ed è strettamente correlata alla costante dielettrica del COV. In base alle forze di interazione tra diversi cluster di oro funzionalizzati e COV, vengono progettati e selezionati tipi e strutture di tioli organici, come la forza di van der Waals (tiolo alchilico), la forza di induzione di polarizzazione (ftalato di dimetile), la polarità (metossi) e il legame idrogeno (benzotiazolo). Viene costruito un array di rilevamento di COV basato sulle caratteristiche di risposta incrociata selettiva di diversi cluster di oro ai COV.
Sensori di conduttività a gas basati su materiali nanoporosi
Questa sezione discute l’uso di materiali nanoporosi, in particolare cristalli fotonici di silicio nanoporoso, come materiali per sensori di gas grazie alla loro elevata superficie e alle capacità di adsorbimento dei gas. Le proprietà ottiche ed elettriche uniche del silicio nanoporoso lo rendono un materiale promettente per applicazioni di rilevamento di gas VOC.
Sensori di conducibilità basati su materiali polimerici
I materiali polimerici conduttivi sono comunemente utilizzati nei sensori di gas grazie alle loro proprietà elettriche e ottiche, alla flessibilità meccanica e alle caratteristiche redox elettrochimiche. Questa sezione si concentra sull’uso di materiali polimerici coniugati come polimeri di ftalocianina, polipirrolo, polianilina e porfirine e complessi metalloporfirinici come materiali per sensori di gas. Sebbene l’interazione tra la maggior parte dei VOC e i materiali polimerici conduttivi sia debole, l’uso dell’analisi delle componenti principali consente l’identificazione e la differenziazione dei VOC in base alla loro interazione fisica con il materiale.
Sensori ottici per VOC
I sensori di gas basati su segnali ottici presentano i vantaggi di una forte anti-interferenza elettromagnetica, una risposta rapida e una facile implementazione per il monitoraggio online dei gas organici.
Esistono vari tipi di sensori ottici in base ai loro principi di funzionamento, tra cui il metodo di interferenza riflessiva, la fotometria di assorbimento ultravioletto-visibile, il metodo colorimetrico, il metodo di fluorescenza, il metodo di risonanza plasmonica superficiale e la tecnologia di rilevamento a fibra ottica. I materiali ottici gas-sensibili includono porfirine e metalloporfirine tradizionali, molecole di coloranti fluorescenti, indicatori di pH e nuovi tipi di cristalli fotonici biomimetici.
Sensori basati sul principio di assorbimento ottico
I sensori di gas ad assorbimento spettroscopico rilevano i VOC in base all’intensità o alla variazione di spostamento dello spettro di assorbimento dei materiali gas-sensibili dopo aver adsorbito i VOC. I materiali gas-sensibili comuni includono indicatori di pH, coloranti solvatocromici e metalloporfirine.
Sensore visivo per VOC basato sul colore
Il sensore di gas visivo è una nuova tecnologia di rilevamento ottico e una tendenza importante nello sviluppo della tecnologia dei sensori. Rappresenta le informazioni caratteristiche degli odori sotto forma di immagini, noto anche come olfatto visivo.
Rispetto ai tradizionali segnali di rilevamento elettrochimici e di fluorescenza, la modalità di segnale di output colorimetrico è la piattaforma di rilevamento più semplice per sviluppare una tecnologia di rilevamento a occhio nudo, riducendo al minimo la necessità di moduli di conversione del segnale. Può fornire un rilevamento pratico in loco per personale non tecnico o utenti finali. I materiali di rilevamento attualmente segnalati per la visualizzazione dei VOC includono chip di carta di polidiacetilene, nanofibre di giallo metilene 6, polimeri microporosi a interferenza Fabry-Perot e complessi ospite-ospite sopramolecolari.
Il sistema di rilevamento utilizza un sensore di immagine CMOS per raccogliere le informazioni sull’immagine delle variazioni spettrali del sensore visivo prima e dopo la reazione con il gas misurato. Attraverso processi come il pre-elaborazione dell’immagine, l’estrazione delle caratteristiche e l’abbinamento di riferimento, raggiunge l’identificazione della concentrazione e della specie di gas. I materiali gas-sensibili alla porfirina e alla metalloporfirina hanno notevolmente promosso lo sviluppo di sensori visivi per VOC.
Sensore VOC basato sul principio di interferenza ottica
I cristalli fotonici (PC) sono materiali dielettrici con variazioni periodiche dell’indice di rifrazione nello spazio e la loro periodicità è dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d’onda della luce. La caratteristica principale dei PC è la presenza di un gap di banda fotonica (PBG) nella loro struttura a bande, che consiste in una banda di conduzione fotonica e una banda di valenza fotonica, una microstruttura artificiale periodica con caratteristiche PBG.
Quando gli elettroni in un materiale semiconduttore si propagano in un campo potenziale periodico di un reticolo, si formano strutture a bande a causa della diffusione di Bragg e appaiono gap di banda tra le bande. Se l’energia dell’onda elettronica cade nel gap di banda, la propagazione è proibita.
Similmente alla modulazione della funzione d’onda elettronica in un reticolo semiconduttore, l’indice di rifrazione della luce nei cristalli fotonici varia periodicamente e la struttura del gap di banda della luce appare quando le onde elettromagnetiche si propagano in esso. Le onde luminose nel gap di banda fotonica sono proibite dalla propagazione. In linea di principio, il controllo del movimento dei fotoni può essere ottenuto progettando e fabbricando cristalli fotonici e i loro dispositivi, il che ha importanti implicazioni per lo sviluppo di vari dispositivi ottici, comunicazioni in fibra ottica e computer fotonici. In breve, i cristalli fotonici hanno la funzione di filtrare, consentendo selettivamente il passaggio di determinate bande di luce e bloccando altre lunghezze d’onda della luce.
Sensori VOC a fluorescenza
I sensori VOC basati sul principio dell’emissione di fluorescenza sono significativi progressi nella chimica analitica. Questi sensori possiedono caratteristiche come alta sensibilità, buona selettività e forte resistenza alle interferenze elettromagnetiche. Tuttavia, questi sensori spesso affrontano sfide come l’etichettatura difficile e la scarsa ripetibilità. La struttura, la stereochimica e l’efficienza di fluorescenza delle molecole fluorescenti possono essere influenzate da fattori esterni come umidità, polarità e pH, che a loro volta possono influenzare la forma e l’intensità dei loro spettri di fluorescenza.
Sensori VOC SPR
SPR (risonanza plasmonica superficiale) è un fenomeno ottico fisico del campo evanescente. Si verifica quando la luce subisce una riflessione interna totale all’interfaccia tra vetro e un film metallico, creando un’onda evanescente che può indurre onde plasmoniche superficiali sulla superficie metallica generando elettroni liberi.
In determinate condizioni di angolo di incidenza o lunghezza d’onda, la frequenza e il numero d’onda dell’onda plasmonica superficiale e dell’onda evanescente risuonano e la luce incidente viene assorbita, con conseguente picco di risonanza nello spettro di riflessione. L’adsorbimento di gas sulla superficie del film metallico ne modifica lo spessore o l’indice di rifrazione, alterando così il suo picco di risonanza (angolo di risonanza o lunghezza d’onda di risonanza). La tecnologia SPR è un nuovo metodo di rilevamento dei gas con i vantaggi di una struttura semplice, un’elevata sensibilità e un’ampia gamma di rilevamento.
Ricerca scientifica all'avanguardia sui sensori VOC
Un recente studio pubblicato su Science Advances riporta lo sviluppo di un sensore di composti organici volatili (VOC) altamente sensibile basato su recettori olfattivi ricostituiti in un doppio strato lipidico e utilizzato in un sistema di flusso di gas appositamente progettato per il rilevamento rapido a livelli di parti per miliardo (ppb). Lo studio dimostra il potenziale dell’utilizzo del rilevamento di odoranti biologici nei sistemi di diagnosi del respiro e nel monitoraggio ambientale. I recettori olfattivi negli organismi viventi possono riconoscere vari VOC con un livello di rilevamento corrispondente a una singola molecola, rendendoli di gran lunga superiori in selettività e sensibilità rispetto agli attuali sensori di VOC che utilizzano materiali artificiali. Lo studio supera le sfide della bassa solubilità dei VOC sviluppando un sistema di flusso di gas che introduce efficacemente i VOC in goccioline acquose e aumenta la probabilità di rilevamento di una serie di doppi strati lipidici. Come esempio pratico, lo studio dimostra il rilevamento di 1-octen-3-ol (octenolo) a livelli di parti per miliardo (ppb), che è un biomarcatore nel respiro umano, utilizzando un sensore di VOC costituito da recettori olfattivi ricostituiti in un doppio strato lipidico. (qui per saperne di più sui dettagli di questa ricerca sui sensori VOC)
L’articolo spiega che i sensori VOC (composti organici volatili) funzionano rilevando le variazioni di conducibilità elettrica quando le molecole di VOC si legano alla superficie del sensore. I sensori sono costituiti da un sottile film di un polimero conduttivo, rivestito con uno strato di un materiale che assorbe VOC specifici. Quando i VOC si legano allo strato assorbente, cambiano la conducibilità elettrica del film polimerico conduttivo, che può essere misurata e utilizzata per rilevare la presenza e la concentrazione del VOC. L’articolo descrive anche alcuni recenti progressi nella tecnologia dei sensori VOC, tra cui l’uso di algoritmi di machine learning per migliorare la precisione del sensore e lo sviluppo di sensori flessibili e indossabili.
Come misurare i VOC?
Individuare la fonte dei VOC con un sensore VOC
Ci sono alcuni passaggi che puoi intraprendere per trovare la fonte dei VOC con un sensore VOC. Innanzitutto, dovresti dare un’occhiata alle letture del tuo monitor della qualità dell’aria interna. Se i livelli di VOC sono alti, dovresti indagare sulle aree problematiche. Puoi anche utilizzare un sensore VOC per prelevare un campione dell’aria in una particolare area dell’edificio. Quindi riporteresti il campione al tuo sensore per ottenere una lettura più precisa. Il sensore indicherebbe quindi se c’era un problema nell’area in cui hai prelevato il campione. Il sensore indicherebbe anche il tipo di problema se l’analizzatore fosse in grado di rilevarlo.
Identificare i gas problematici utilizzando la Right-to-Know Rule
La Right-to-Know Rule è una normativa che richiede ai sensori VOC commerciali di rilevare un determinato set di VOC. Questi includono acetone, benzene, tetracloruro di carbonio, formaldeide, solfuro di idrogeno e tricloroetilene. La Right-to-Know Rule si applica anche ad altri sensori IAQ. Ad esempio, i sensori di anidride carbonica devono rilevare livelli di CO2 superiori a 19 ppm. I sensori di biossido di azoto devono rilevare livelli di NO2 superiori a 0,5 ppm. I sensori di temperatura e umidità relativa devono rilevare una temperatura superiore a 35 gradi Fahrenheit o un’umidità relativa superiore al 45 percento.
Rilevare perdite utilizzando il sensore VOC
È possibile utilizzare un sensore VOC per rilevare perdite nel sistema. Dovresti configurare il tuo sensore in modo che cerchi un gas specifico. Se è presente una perdita, il sensore indicherà che questo particolare gas è più alto o più basso del dovuto. Devi stare attento, però! Devi assicurarti di non ottenere letture false a causa della presenza del gas nell’atmosfera. Se stai monitorando il gas naturale, ad esempio, otterrai anche una lettura di anidride carbonica. Puoi risolvere questo problema prelevando più campioni da diversi punti dell’edificio.
Conclusione
Il sensore VOC è uno strumento importante per il monitoraggio della qualità dell’aria interna (IAQ) perché identifica i contaminanti che rappresentano un rischio per la salute umana. I sensori VOC possono aiutarti a trovare la fonte dei contaminanti, identificare i gas problematici e rilevare perdite nel sistema. Se trovi una perdita o riconosci un problema, dovresti prendere provvedimenti per correggere la situazione il prima possibile.
